Professor Robert Schlögl erhält Ehrentitel der TU München

Thursday, 13th April 2017Preise und Auszeichnungen

Das erweiterte Hochschulpräsidium der Technischen Universität München (TUM) hat einstimmig beschlossen, Herrn Professor Robert Schlögl den Ehrentitel „TUM Distinguished Affiliated Professor“ zu verleihen.

Im Brief des Präsidenten heißt es: „… die Technische Universität München verleiht den Ehrentitel „TUM Distinguished Affiliated Professor“ an Persönlichkeiten, deren wissenschaftliches Werk von international prägender Wirkung auf die eigene Disziplin ist, aber auch darüber hinausgehende Impulse in der wissenschaftlichen Welt gesetzt hat.Wir ehren damit gleichermaßen das öffentliche Vorbild, das aus der wissenschaftlichen oder künstlerischen Exzellenz unserer Ehrenprofessoren resultiert.

Diese Auszeichnung wird selten verliehen. Bisherige Preisträger sind u.a. Prof. Rudolph A. Marcus, Nobelpreisträger für Chemie, und Prof. Robert Graselli, einer der berühmtesten Katalyseforscher…“

 


Maschinelles Lernen erobert die klassischen Naturwissenschaften

Wednesday, 25th January 2017Ausgewählte Publikationen

Gemeinsame Presseerklärung der Technischen Universität Berlin, des Fritz-Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft und der Universität Luxemburg, verfasst von Katharina Jung, Wissenschaftsjournalistin)

Ein interdisziplinäres Team von Wissenschaftlern der Technischen Universität Berlin, des Fritz-Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft und der Universität Luxemburg hat einen Algorithmus entwickelt, der aus Chemiedaten lernt und ein neues Verständnis komplexer Moleküle erzeugt. Diese Arbeit zeigt das Potenzial von künstlicher Intelligenz oder maschinellem Lernen, den Erkenntnisgewinn in den Naturwissenschaften voranzutreiben.

In den letzten Jahren haben datengetriebene Lern-Algorithmen diverse Disziplinen revolutioniert, darunter die Suche im Internet, Textanalyse und maschinelle Übersetzung sowie Sprach- und Bilderkennung. Aus diesem Grund investieren Technologieunternehmen wie Google, Amazon, Facebook und Microsoft massiv in maschinelles Lernen und künstliche Intelligenz – ein sehr rechenintensives Feld, das unter anderem durch den Einsatz von Grafikkarten zur parallelen Berechnung der Algorithmen große Fortschritte machen konnte. Im Gegensatz dazu sind Lern-Algorithmen, die in den Naturwissenschaften eingesetzt werden, oft noch eher simpel und waren bisher nicht in der Lage, neue physikalische oder chemische Gesetze zu finden, die ihnen nicht explizit vorgegeben waren.

Jetzt haben die Gruppen von Prof. Dr. Klaus-Robert Müller (TU Berlin) und Prof. Dr. Alexandre Tkatchenko (Universität Luxembourg und FHI Berlin) einen Lernalgorithmus entwickelt, der das Verhalten von komplexen Molekülen aus einer großen Datenbank von quantenchemischen Berechnungen analysieren und dadurch Neues entdecken kann. Insbesondere haben die Wissenschaftler ein sogenanntes „deep tensor neural network“ (DTNN) entwickelt, welches automatisch eine Repräsentation für Atominteraktionen in Molekülen findet. Dies ermöglicht chemisch und örtlich aufgelöste Einsichten in quantenmechanische Messgrößen. So konnte das DTNN zum Beispiel eine Gruppe von chemischen Molekülen (sogenannte aromatische Ringe) bezüglich ihrer Stabilität neu klassifizieren sowie Moleküle mit außergewöhnlicher elektronischer Struktur identifizieren. Insgesamt demonstriert diese Arbeit das hohe Potenzial von künstlicher Intelligenz in der Chemie und anderen Naturwissenschaften.

„Die Interpretierbarkeit von statistischen Modellen ist entscheidend, da sie deren Grenzen und Schwächen aufzeigen kann. Bislang wurde das maschinelle Lernen vor allem angewendet, um möglichst genaue Vorhersagen zum Beispiel über die Energien bestimmter chemischer Moleküle zu machen. Allerdings hatte man keine Erkenntnisse über den zugrundeliegenden Mechanismus. Jetzt ist es uns erstmals gelungen, in einer Art ‘Rückwärtsschritt‘ anhand der Vorhersagen, die das maschinelle Lernen über bestimmte Moleküle macht, Erkenntnisse über die zugrundeliegenden naturwissenschaftlichen Phänomene zu gewinnen. Wir können die Ergebnisse interpretieren. Dadurch können wir effektivere und genauere Modelle konstruieren. Interpretierbarkeit war das fehlende Puzzlestück, um maschinelles Lernen zu einem weit verbreiteten Werkzeug in der wissenschaftlichen Forschung zu machen“, sagt Prof. Dr. Klaus-Robert Müller, Leiter des Fachgebiets Maschinelles Lernen an der Technische Universität Berlin.

„Aufgrund der unkonventionellen Kombination aus künstlicher Intelligenz und Quantenmechanik, kann unsere Methode neuartige chemische Erkenntnisse gewinnen, wie statistische Maße für Molekülstabilität und Aromatizität, und somit den Weg für eine breitere Anwendung in der chemischen Forschung bereiten“, sagt Prof. Dr. Alexandre Tkatchenko, Leiter der Gruppe für Theoretische Chemische Physik an der Universität Luxembourg.

Diese Arbeit wurde gefördert von der Einstein Stiftung Berlin sowie der DFG, dem BMBF (Berlin Big Data Center) und dem European Research Council.

Originalveröffentlichung:

[1] Kristof T Schütt, Farhad Arbabzadah, Stefan Chmiela, Klaus-Robert Müller, Alexandre Tkatchenko
Quantum-chemical insights from deep tensor neural networks
Nature Communications, 9th January 2017, DOI: 10.1038/NCOMMS13890

Weitere Informationen erteilen Ihnen gern:
Prof. Dr. Klaus-Robert Müller
TU Berlin, Machine Learning Group und Berlin Big Data Center
Tel.: 030/314-78620
Prof. Dr. Alexandre Tkatchenko
University of Luxembourg, Theoretical Chemical Physics group
Tel.: +352 46 66 44 5138

Gerard Meijer decorated as a Knight of the Order of the Netherlands Lion

Monday, 16th January 2017Preise und Auszeichnungen
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Photo taken by Prof. H.-J. Freund/FHI

For his exceptional achievements as President of the Executive Board of Radboud University, Gerard Meijer was knighted on the occasion of his farewell ceremony.

The university states in a press release:

„Under the presidency of Gerard Meijer, Radboud University has celebrated many successes. Researchers at the University received no less than five Spinoza Prizes—the highest scientific distinction in the Netherlands. Three Gravitation Programmes with Nijmegen consortium leadership were awarded. With the Radboud Excellence Initiative, an idea of Gerard Meijer, international scientific talent from all over the world was attracted to Nijmegen.

Throughout his tenure, the University was annually named the Best Comprehensive University in the Netherlands, most recently receiving the honour for the sixth consecutive year. The campus was made even more beautiful with the new Faculty of Law building and the purchase of the Berchmanianum. He achieved success for the joint Dutch Universities in his dealings with publishers in the field of open access, which enabled free access to scientific articles for everyone.“

Read the full press release here.

 

 


Ehrendoktorwürde für Hans-Joachim Freund

hans-joachim-freundHerrn Professor Freund, Direktor der Abteilung Chemische Physik, wurde am 12. Januar 2017 die Ehrendoktorwürde der Naturwissenschaftlichen Fakultät der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg verliehen.

 

Lesen Sie mehr unter https://www.chemie.nat.fau.de/2017/01/10/verleihung-der-ehrendoktorwuerde-an-prof-dr-hans-joachim-freund/

 

 


Freie-Elektronen-Laser macht „molekulares Kugellager“ sichtbar

Tuesday, 3rd January 2017Diverses

 

Die Doktoranden Matias Fagiani (li.) und Sreekanta Debnath (re.) vor dem Undulator des Freie-Elektronen-Lasers am Fritz-Haber-Institut.

Die Doktoranden Matias Fagiani (li.) und Sreekanta Debnath (re.) vor dem Undulator des Freie-Elektronen-Lasers am Fritz-Haber-Institut.

Der Freie-Elektronen-Laser (FEL) des Fritz-Haber-Instituts (FHI) erzeugt intensive Pulse von Infrarotstrahlung, deren Wellenlänge über einen weiten Bereich variiert werden kann. Im Gegensatz zu konventionellen Lasern, wo die Strahlung in einem Gas, einer Flüssigkeit oder einem Festkörper entsteht, wird sie im FEL von einem Elektronenstrahl erzeugt, der frei durch ein Vakuumrohr verläuft. Durch starke, abwechselnd gepolte Magnetfelder werden die Elektronen in einem sogenannten Undulator (siehe Abb. 1) wie beim Slalom zum Schlingern (Undulation) gebracht; dadurch senden sie Strahlung aus.. Die Wellenlänge der Strahlung kann durch Änderung der Elektronenenergie oder der Magnetfeldstärke variiert werden Bevor die Elektronen den Undulator durchlaufen, müssen sie allerdings auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. Dazu benötigt man einen aufwendigen Elektronenbeschleuniger. Eine solche Anlage ist seit 2013 am Fritz-Haber-Institut in Betrieb.

In Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern vom Wilhelm-Ostwald-Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der Universität Leipzig und dem Institut für Optik und Atomare Physik der Technische Universität Berlin konnte die Strahlung des FHI FEL genutzt werden, um ein außergewöhnliches molekulares System, die Bor-Verbindung B13+, zu erforschen. Es war schon länger bekannt, dass genau dreizehn Bor-Atome eine besonders stabile Verbindung, einen sogenannten „magischen Cluster“, bilden können. Dessen Struktur ist planar und besteht aus zwei konzentrisch angeordneten Ringen: einem inneren Ring aus drei und einem äußeren Ring aus zehn Bor-Atomen (siehe Abb. 2). Das Besondere daran ist, dass die Struktur zwar außerordentlich stabil, aber trotzdem nicht starr ist. Die Arbeitsgruppe um Thomas Heine (Theoretische Chemie, Leipzig) hatte schon vor einigen Jahren theoretisch vorausgesagt, dass die beiden Ringe sich wie in einem Kugellager gegeneinander verdrehen lassen, ohne dadurch die Gesamtstabilität der Verbindung zu beeinträchtigen. Die Elektronenpaare übernehmen dabei die Rolle der Kugeln, die eine quasi reibungslose, gegenläufige Bewegung der atomaren Ringe ermöglichen.

Der Arbeitsgruppe von Knut Asmis (Physikalische Chemie, Leipzig) ist es in Zusammenarbeit mit André Fielicke (TU Berlin) gelungen, dieses ungewöhnliche molekulare System aus Bor herzustellen. Der Nachweis dafür, dass die Struktur tatsächlich aus zwei konzentrischen Ringen aufgebaut ist und diese wie vorhergesagt gegeneinander rotieren können, konnte mit Hilfe des FHI FEL erbracht werden. Dessen intensive IR-Strahlung von durchstimmbarer Wellenlänge ermöglichte die Messung des Schwingungsspektrums von B13+. Solch ein Spektrum ist wie ein Fingerabdruck der in einem Molekül oder Cluster möglichen Bewegungen. Für den B13+-Cluster geht aus dem Spektrum der eindeutige Hinweis auf die Quasirotation der beiden Ringe zueinander hervor.titelbild_de_png

Für Wieland Schöllkopf, den wissenschaftlichen Leiter des FHI FEL, ist dieses Resultat, das mit keinem konventionellen Laser möglich gewesen wäre, ein beeindruckendes Beispiel für die Anwendungsmöglichkeiten der FEL-Strahlung. Darüber hinaus führt der Nachweis eines aus nur 13 Atomen bestehenden molekularen Kugellagers in das spannende und hochaktuelle Forschungsgebiet der sogenannten „Molekularen Maschinen“, ein Forschungsgebiet, dessen Entwicklung just mit dem Nobelpreis für Chemie 2016 ausgezeichnet wurde.

Veröffentlichung:

Untersuchung der Struktur und Dynamik des B13+ mithilfe der Infrarot-Photodissoziationsspektroskopie
M.R. Fagiani, X. Song, P. Petkov, S. Debnath, S. Gewinner, W. Schöllkopf, T. Heine, A. Fielicke, K.R. Asmis
Angew. Chem. 129, 515-519 (2017)

 


EMIL am Synchrotron BESSY II eingeweiht

Tuesday, 8th November 2016Diverses

Am 31. Oktober wurde der Laborkomplex EMIL (Energy Materials In-Situ Laboratory) am Synchrotron BESSY II in Adlershof von der Forschungsministerin Johanna Wanka feierlich eingeweiht.

 EMIL beherbergt Laborkomplexe mit unterschiedlicher wissenschaftlicher Ausrichtung: das Energie-Material-Forschungslabor SISSY (Solar Energy Material In-situ Spectroscopy at the Synchrotron) des HZB – hier sollen neue Dünnschichtmaterialien für Solarzellen, solare Brennstoffe, Thermoelektrika und Materialien für energieeffiziente Informationstechnologien entwickelt werden; das Katalyse-Labor für nachhaltige Energieversorgung CAT (Catalysis Research for Sustainable Energy Supply) zur Erforschung (photo-)katalytische Prozesse und und zur Klärung spezifischer Fragestellungen im Bereich Energieumwandlung und -speicherung des Berliner Fritz-Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft (FHI) – untersucht werden edelmetallbasierte Elektrodenmaterialien (Iridium, Ruthenium, Platin) sowie Übergangsmetalle wie Nickel, Chrom und Eisen als Katalysatoren in der heterogenen Katalyse. das Labor für Röntgenemissionsstudien PINK, das vom Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion (CEC) in Mülheim an der Ruhr betrieben wird.

EMIL beherbergt Laborkomplexe mit unterschiedlicher wissenschaftlicher Ausrichtung:
das Energie-Material-Forschungslabor SISSY (Solar Energy Material In-situ Spectroscopy at the Synchrotron) des HZB – hier sollen neue Dünnschichtmaterialien für Solarzellen, solare Brennstoffe, Thermoelektrika und Materialien für energieeffiziente Informationstechnologien entwickelt werden;
das Katalyse-Labor für nachhaltige Energieversorgung CAT (Catalysis Research for Sustainable Energy Supply) zur Erforschung (photo-)katalytische Prozesse und und zur Klärung spezifischer Fragestellungen im Bereich Energieumwandlung und -speicherung des Berliner Fritz-Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft (FHI) – untersucht werden edelmetallbasierte Elektrodenmaterialien (Iridium, Ruthenium, Platin) sowie Übergangsmetalle wie Nickel, Chrom und Eisen als Katalysatoren in der heterogenen Katalyse.
das Labor für Röntgenemissionsstudien PINK, das vom Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion (CEC) in Mülheim an der Ruhr betrieben wird. Foto: HZB/Volker Mai

Robert Schlögl bei der Führung durch EMIL, Foto: Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft für Solarify

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Lesen Sie mehr: http://www.solarify.eu/2016/11/01/105-emil-am-synchrotron-bessy-ii-eingeweiht/1/


Molekulare Eintopf-Analyse ermöglicht die weltweit erste Beschreibung der Struktur von Amyloid-Zwischenprodukten

Tuesday, 27th September 2016Ausgewählte Publikationen
Prof. Dr. Kevin Pagel und Dr. Gert von Helden, © Sven Jungtow

Prof. Dr. Kevin Pagel und Dr. Gert von Helden, © Sven Jungtow

Wissenschaftlern der Freien Universität und der Max-Planck-Gesellschaft gelingt erstmals die Untersuchung von Aggregaten, die in Verdacht stehen, Alzheimer zu verursachen

Wissenschaftlern der Freien Universität Berlin und des Fritz-Haber-Institutes der Max-Planck-Gesellschaft ist ein wichtiger Schritt bei der Erforschung der biochemischen Ursachen der Krankheiten Alzheimer und Parkinson gelungen. Durch die Forschungsergebnisse von Prof. Dr. Kevin Pagel und Dr. Gert von Helden wird jetzt möglicherweise die Entwicklung neuer Medikamente vorangetrieben, mit denen die Ursachen der Krankheit direkt bekämpft werden können. Die Ergebnisse wurden in der jüngsten Ausgabe der Zeitschrift Nature Chemistry veröffentlicht.

Die Ursachen neurodegenerativer Erkrankungen wie Alzheimer und Parkinson sind bisher nicht genau aufgeklärt. In beiden Fällen kann man im Verlauf der Krankheit eine Fehlsteuerung beobachten, versteht aber noch nicht, was genau sie auslöst. Charakteristisch ist dabei, dass sich wasserlösliche Proteine zu großen unlöslichen Fasern zusammenlagern. Bei Alzheimer bilden sich so aus Proteinbruchstücken, die der Körper normalerweise entsorgen kann, sogenannte Plaques, die sich zwischen den Neuronen ablagern und dabei langsam das Gehirn zerstören.

Wie sich in den vergangenen Jahren zeigte, sind Plaques jedoch nicht die Ursache der Alzheimererkrankung, sondern lediglich eine Folge. Wissenschaftler interessiert deshalb zunehmend die Frage, was während der tödlichen Plaquebildung passiert und wie die Verwandlung der harmlosen, löslichen Jekyll-Moleküle zur gefährlichen, unlöslichen Hyde-Form vonstatten geht. Die Indizien, dass es sich bei den krankheitsauslösenden Spezies um kurzlebige, toxische Zwischenprodukte handelt, verdichten sich; eine genaue Aufklärung ihrer Struktur ist jedoch eine äußerst komplizierte Aufgabe, die dem blinden Topfschlagen bei einem Kindergeburtstag ähnelt. Die fraglichen Zwischenprodukte präsentieren sich aus Sicht der Forscher nämlich nicht als sauber voneinander getrennte Bestandteile, sondern als eine Art Eintopf mit unbekannten Zutaten. Bei der Entwicklung von Wirkstoffen arbeiten Forscher deshalb bisher sozusagen mit verbundenen Augen. Genau an dieser Stelle setzt die Arbeit der Forscher der Freien Universität und des Fritz-Haber-Instituts an.

Der Forschergruppe um Juniorprofessor Dr. Kevin Pagel und Dr. Gert von Helden gelang es dabei erstmals, eine Methode zu entwickeln, mit der die Struktur der wahrscheinlich krankheitsauslösenden Zwischenprodukte aufgeklärt werden kann. Hierzu wurden die einzelnen Zutaten des „Eintopfs“ getrennt voneinander analysiert, um herauszufinden, welche Inhaltsstoffe für seine letztlich tödliche Wirkung verantwortlich sind. Von dieser Grundlage aus können jetzt andere Wissenschaftler daran arbeiten, exakt diese Bestandteile zu neutralisieren.

Kevin Pagel und Gert von Helden gelang dies durch einen Trick: Sie kombinierten zwei Verfahren, um entscheidende Erkenntnisse zu gewinnen, die jedes einzelne Verfahren nicht liefert. Zum Einen ist dies die sogenannte Ionenmobilitäts-Spektrometrie – eine Art Windkanal für Moleküle – mit dem die Zwischenprodukte nach ihrem „Luftwiderstand“ sortiert werden können. Mit dieser Technik erfährt man jedoch nur, welche Form ein Molekül hat, aber nicht, welche genaue räumliche Struktur. Dieses Geheimnis wurde den Molekülen durch die zweite Technik entlockt, die Gasphasen-Infrarot-Spektroskopie. Dabei wurde entdeckt, dass bestimmte Zwischenprodukte auf dem Weg der Plaquebildung eine räumliche Struktur besitzen, die denen der ausgebildeten Plaques überraschend ähnlich ist. Auf eine ähnliche Weise können nun Medikamente getestet werden, die die Bildung genau dieser Spezies verhindern, um so hochspezifisch die Entstehung von Alzheimer zu verhindern.

Die Alzheimer-Krankheit ist die häufigste Form der Demenz, die meist bei Menschen ab dem Rentenalter bis zum 85. Lebensjahr auftritt. In Deutschland leiden zur Zeit etwa 1,3 Millionen Menschen an Demenzerkrankungen, 700.000 davon an Alzheimer. Bis zum Jahr 2050 wird mit einer Verdoppelung der Fallzahlen gerechnet.

Kontakt

  • Dr. Kevin Pagel, Institut für Chemie und Biochemie der Freien Universität Berlin, Takustraße 3, 14195 Berlin und Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, Abteilung Molekülphysik, Faradayweg 4–6, 14195 Berlin, Telefon: +49 (0)30 – 838 – 72703 (Freie Universität Berlin)/ +49 (0)30 – 8413 – 5646 (Fritz-Haber-Institut), E-Mail: kevin.pagel@fu-berlin.de, im Internet: www.bcp.fu-berlin.de/chemie/pagel
  • Gert von Helden, Fritz Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, Abteilung Molekülphysik, Faradayweg 4-6, 14195 Berlin, Telefon +49 (0)30-8413 – 5615, E-Mail: helden@fhi-berlin.mpg.de, im Internet: http://www.fhi-berlin.mpg.de/mp/helden/

Originalveröffentlichung

Seo, J.; Hoffmann, W.; Warnke, S.; Huang, X.; Gewinner, S.; Schöllkopf, W.; Bowers, M.T.;von Helden, G.; and Pagel, K.;
An Infrared Spectroscopy Approach to Follow β-Sheet Formation in Peptide Amyloid Assemblies
Nature Chemistry 2016, doi: 10.1038/NCHEM.2615


(English) Julia Stähler gets Edith Flanigan Award 2016

Wednesday, 14th September 2016Preise und Auszeichnungen

Leider ist der Eintrag nur auf Amerikanisches Englisch verfügbar.


Lutz Waldecker erhält für seine Dissertation den Carl-Ramsauer-Preis der Physikalischen Gesellschaft zu Berlin

Wednesday, 7th September 2016Ausgewählte Publikationen

In seiner Arbeit mit dem Titel „Elektron-Gitter Wechselwirkungen und ultraschnelle Strukturdynamik in Festkörpern“ untersuchte er die Wechselwirkungen zwischen den Atomrümpfen von Festkörpern und deren äußeren Elektronen. Diese Wechselwirkungen bestimmen fundamentale Eigenschaften wie die elektrische oder thermische Leitfähigkeit des Materials und sein Verhalten unter extremen Bedingungen.

Zur Untersuchung dieser Wechselwirkungen wurde mithilfe kurzer Laserimpulse ein Ungleichgewicht zwischen Elektronen und Atomrümpfen präpariert. Das Gleichgewicht wird innerhalb extrem kurzer Zeiten von wenigen 100 Femtosekunden (1 Femtosekunde = 10-15 Sekunden) aufgrund der Wechselwirkungen wiederhergestellt. Es wurden komplementäre optische und Beugungs-Methoden entwickelt, die Momentaufnahmen der optischen Eigenschaften und der atomaren Struktur des Materials machen und es daher erlauben, diese Prozesse in Echtzeit zu beobachten. Die Anwendung dieser Methoden ermöglichte es, neue Details der Wechselwirkungen in einfachen Metallen sowie in zweidimensionalen Halbleitern zu erklären. Experimente mit Phasenwechsel-Materialien nach starker Laseranregung gaben neue Einblicke, wie sich diese Materialien während eines Phasenüberganges verhalten und welchen Einfluss die Wechselwirkungen von Elektronen und Gitteratomen auf den Phasenwechsel haben. Die Ergebnisse zeigen, dass Phasenwechsel-Materialien ihre optischen Eigenschaften sehr schnell ändern, ohne dass sich die atomare Struktur ändert, was für die Entwicklung schneller optischer Kommunikation verwendet werden könnte.


Die Kraft zur Schaltung eines einzelnen Moleküls

Monday, 11th July 2016Ausgewählte Publikationen
(Oben) Einzelnes Porphycen-Molekül, dargestellt bei 5 K mit einem Raster-Sonden-Mikroskop. Der weiße Stern links zeigt die Position, an der die Annäherung der Spitze das Schalten auslösen kann. (Unten) Chemische Struktur von Porphycen. Das Molekül pendelt zwischen zwei Zuständen, ausgelöst durch den intramolekularen Transfer eines Wasserstoffatoms (Pfeile).

Oben: Einzelnes Porphycen-Molekül, gemessen bei 5 K mit einem Rastertunnelmikroskop. Der weiße Stern links zeigt die Position, an der die Annäherung der Spitze das Schalten auslöst.
Unten: Chemische Struktur von Porphycen. Das Molekül schaltet durch den intramolekularen Transfer von Wasserstoffatomen zwischen zwei Zuständen (dargestellt durch die gekrümmten Pfeile).

Schalter befinden sich überall in unserem modernen Leben und jeder weiß, wie viel Kraft benötigt wird, um mit einem Lichtschalter das Raumlicht anzuschalten – die Kraft eines Fingers genügt. Doch wie viel Kraft ist erforderlich, wenn man die Größe des Schalters drastisch reduziert und in der „Nano-Welt“ einen einzelnen „molekularen Schalter“ betätigt? Diese fundamentale Frage ist nicht nur für die Grundlagenwissenschaft relevant, sondern auch für zukünftige Anwendungsmöglichkeiten in der molekularen Elektronik. Wissenschaftlern am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft (Berlin) ist es in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern aus Polen (Warschau), Spanien (San Sebastian) und Großbritannien (Liverpool) gelungen, mit einem hochmodernen Rastersondenmikroskop die Kräfte zu messen, die benötigt werden, um einen einzelnen „molekularen Schalter“ zu schalten. Sie ermittelten, dass nur eine extrem kleine Kraft von Bruchteilen von Nano-Newton (10-9 Newton) benötigt wird, um ein einzelnes Molekül zu schalten.

Sie fanden heraus, dass ein intramolekularer Wasserstoffatomtransfer, eine sogenannte Tautomerisierung, in einem Porphycen-Molekül – ein rund 1 nm (10-9 m) großes organisches Molekül – auf einer Kupferoberfläche durch die Annäherung einer nur ein  Atom messenden Spitze ausgelöst werden kann. Die Tautomerisierung schaltet ein organisches Molekül zwischen zwei (oder mehr) Zuständen und ist ein vielversprechendes System für eine Anwendung in zukünftigen molekularen elektronischen Bauteilen. Die Experimente konnten nicht nur die notwendige Kraft zum Schalten ermitteln, sondern zeigten außerdem, dass das Schalten des Moleküls an einer bestimmten Position im Molekül ausgelöst wird. Das Experiment erreicht hierbei eine räumliche Auflösung von 0,02 nm und ist damit genauer als die Länge einer typischen chemischen Bindung (0,1 nm). Zudem wurde die Bedeutung der chemischen Reaktivität der Spitze demonstriert, da das Molekül nicht geschaltet werden kann, wenn ein einzelnes Xenonatom – ein reaktionsträges Edelgas – die Spitze bildet, selbst wenn eine ausreichende Kraft ausgeübt wird. Der Mechanismus des Schaltens lässt sich daher nicht mit einer rein mechanischen Kraftwirkung erklären.

Oben: Künstlerische Darstellung des Experiments. Unten: Gemessene Kraft während der Annäherung und Entfernung der Spitze.

Oben: Künstlerische Darstellung des Experiments.
Unten: Gemessene Kraft während der Annäherung und Entfernung der Spitze.

Mit einem Supercomputer berechneten die Wissenschaftler detaillierte Simulationen des Experimentes, um den Mechanismus des Schaltens aufzuklären. Ihre Simulationen konnten die Tautomerisierung durch Krafteinwirkung korrekt wiedergeben und lieferten ein detailliertes Verständnis der Arbeitsweise des einzelnen molekularen Schalters auf der atomaren Ebene. Dabei wird das Schalten nicht durch eine rein mechanische Kraftwirkung ausgelöst sondern entspricht der Aktivierung bei einer katalytischen Reaktion. Die Wissenschaftler hoben hervor, dass diese Forschungsergebnisse daher zu einem tieferen mikroskopischen Einblick in katalytische Reaktionen beitragen und zu einer neuen Methode zur Kontrolle der Chemie auf der atomaren Ebene führen können.

Kontakt

Dr. Takashi Kumagai
Arbeitsgruppenleiter
Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft
Abteilung Physikalische Chemie
Email: kuma@fhi-berlin.mpg.de
Web: http://www.fhi-berlin.mpg.de/pc/kumagai/
Tel.: +49 (0)30 8413 5110

Originalveröffentlichung

Force-induced tautomerization in a single molecule
Ladenthin et al. Nature Chemistry (http://dx.doi.org/10.1038/nchem.2552)

Hier können Sie die Japanische Version lesen.